井下封閉火區火災防治研究

蔡振禹，梁小龍

（1.河北工程大學，河北邯鄲　056038；2.邢臺學院，河北邢臺　054001）

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井下封閉火區火災防治研究

蔡振禹1，2，梁小龍1

（1.河北工程大學，河北邯鄲056038；2.邢臺學院，河北邢臺054001）

摘要：高瓦斯礦井煤層自燃火災往往與瓦斯災害之間有著必然的關聯，礦井防滅火過程中需統籌兼顧，綜合治理。結合實際高瓦斯突出礦井封閉火區項目實施，闡述了惰性氣體防滅火的原理，分析了具體封閉火區注氮治理技術與管理措施；項目實施一階段后各種氣體與溫度指標能夠保持持續的穩定，達到了火區啟封的條件，為礦井安全生產提供了有力保障。

關鍵詞：高瓦斯突出礦井；封閉火區；火區治理；注氮

近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，煤礦災害發生頻率亦逐漸增加。尤其是礦井火災情況，雖采用先進設備與技術使其危險性得到較大程度的控制，但其潛藏的威脅對礦井的安全生產造成巨大的影響，須采取有效措施從根本上解決危險源。高瓦斯礦井火災與瓦斯災害有著必然的聯系，當傳統的礦井火災治理方式行之無效時，應及時封閉火區。封閉火區會造成其內部瓦斯濃度的迅速增加，易導致瓦斯爆炸事故的發生，應用過程中需采取有效方式破壞災害發生條件，避免事故危害性的進一步增加。

1　項目礦井概況

某礦井現階段采煤層為6#煤，煤層平均厚度為1.2m，傾角8°，為高瓦斯突出礦井。該煤層工作面采用對拉布置方式，現開采W2604工作面，工作面走向與傾向長度分別為150m、1068m，仰斜開采，頂板管理方式為垮落法。對拉工作面推進過程中，因南翼工作面區域煤層變薄，進行封閉處理；而北翼工作面推進約460m時，后方采空區煤層發生自燃并導致瓦斯爆炸事故發生，且運輸順槽上隅角有明火情況出現。為避免災害的進一步擴大，設計對該工作面所有巷道進行封閉處理，并充填惰性氣體治理采空區。火區封閉項目自2014年1月15日開始施工，共計施工密閉防火墻十道，防火墻構筑位置及封閉范圍如圖1所示。

2　惰性氣體防滅火技術原理

瓦斯爆炸通常需要具備三大主要條件，即瓦斯濃度、氧氣濃度、火源。這三個主要條件在該工作面采空區都已具備，如將采空區進行封閉，火區內瓦斯濃度將會迅速增加，并達到爆炸臨界值；而在封閉初期氧氣濃度較高，已經符合瓦斯爆炸所需氧氣濃度，在封閉實施一段時間后才能得以降低，實測情況如圖2所示。因此，在火區實施封閉之初，瓦斯爆炸所需條件可能都已具備，具有巨大的危險性。

在封閉火區內充入惰性氣體是破壞瓦斯爆炸條件的有效措施。惰性氣體分子結構十分穩定，并且化學性質不活潑，在一般條件下并不會與其他物質發生反應。隨著封閉區內惰性氣體含量的增加，氧氣含量會逐漸減少，抑制瓦斯的產生；同時，當氧氣濃度下降到一定數值（4%～10%）時，煤層的氧化自燃現象將能得到有效的控制，而體積分數小于3%時，煤炭自燃現象基本能夠消除，并可抑制其引燃和復燃。煤礦常用的惰性氣體為液態CO2和N2或其混合物，具體根據情況進行選擇，本礦井火區惰性氣體選擇氮氣。惰性氣體防滅火原理主要可概括為以下兩個方面：

（1）降低氧氣體積分數含量，充入火區的惰性氣體會將氧氣排擠出危險區域，降低氧氣含量，進而破壞煤層自燃與火區爆炸發生的條件。

（2）高瓦斯礦井通風方式通常為負壓通風，大量惰性氣體注入火區后將使封閉區域呈現正壓狀態，外界氣體將不能輕易進入火區。

3　封閉火區監測及治理技術措施

3.1火區監測

火區監測是整個施工設計的關鍵內容，監測內容主要瓦斯、氧氣、一氧化碳等氣體含量，以及空氣溫度、出水溫度和氣壓情況等。管理工作中應做好相關設備及人員的組織安排，保證監測數據的準確性與有效性。

3.2注氮

注氮是整個施工的關鍵，其設計參數對項目最后效果有著關鍵的影響。注氮施工主要參數包括注氮量與注氮速率，注氮量計算公式為：

圖1　密閉防火墻構筑圖示

圖2　封閉火區初期瓦斯與氧氣體積分數變化

其中：QN為注氮量，單位m3；V0為封閉火區體積，單位m3；C1、C2為平均氧氣濃度與惰化指標，取值分別為16%和12%。

按照上式計算得到注氮量為438499 m3，歷時近100天。為保證施工過程的安全，注氮速率按照最小值13m3/min設定，具體情況可相應性地進行調整。

3.3調整通風系統

礦井通風采用負壓通風方式，W2604工作面由于地形條件特殊，該區通風負壓值非常高；同時，工作面運輸巷護巷方式為預制墩，因此存在嚴重的漏風情況。礦井封閉火區治理過程中需要調整工作面風壓與風量，原始風機負壓與礦井風量為3118 Pa和25049 m3/min，經過計算后調整為2850 Pa與23298 m3/min。風量調整原則應保證礦井的正常需風量，不致造成礦井其他工作面生產受到影響。

3.4封閉區域瓦斯抽放措施

為避免火區封閉過程中瓦斯濃度積聚增加，繼而導致嚴重的瓦斯爆炸事故。火區封閉期間應繼續瓦斯抽放施工，在火區封閉施工完成后停止抽放，避免封閉區域負壓增加，而使得外界新鮮空氣進入封閉區域，導致區域氧氣含量增加。與此同時，為改善封閉區域負壓狀況，應及時注入N2，并停止各瓦斯巷的抽放施工，達到降低O2含量與抑制煤炭自燃的目的。

3.5封堵漏風

由于封閉施工過程中沒有終端瓦斯抽放操作，并向封閉區域大量的注入N2，使得防火密封墻處于正壓狀態；同時，礦井所處地應力較大，在礦山壓力與風壓的綜合作用下，防火密封墻出現不同程度的破損，漏風情況嚴重。此種情況還造成密封墻區域積聚了大量的瓦斯，瓦斯濃度甚至出現超標，形成巨大的安全威脅。為改善密封墻的密封效果，設計對密封墻體及其周邊一定范圍的圍巖進行加固，注漿材料選擇聚亞胺膠脂材料。具體實施過程中可改良聚亞胺膠脂材料的加固方式，如頂板破碎嚴重時可先進行噴漿再灌注聚亞胺膠脂材料等。此外，防火密封墻之外，工作面封閉相關區域進行檢查并認真封堵。

3.6注水降溫

由于工作面封閉后發生過多起瓦斯爆炸，且運輸巷存在明火現象，因此使得采空區內熱量大量積聚。與液態CO2不同，N2自身變化過程中并不會產生吸熱作用，因此需另外采取措施降低封閉區域溫度。工程選用封閉區域注水的方式進行降溫，注水孔選擇密封墻之上，水中摻入0.5%工業鹽以改善所注入水的降溫效果。為進一步降低封閉區域熱量，采空區遺留煤亦應做到保水保濕，盡可能降低火源的復燃概率。項目實施過程中應實時監測封閉區域空氣溫度、出水情況及墻體完整性，根據實際情況及時調整注水方案。

4　火區治理效果分析

4.1CO體積分數變化

項目自實施初期就對封閉區域內氣體進行監測，監測主要包括CH4、O2、CO、溫度等指標，而衡量火區煤層燃燒狀況的因素主要為CO，圖3所示為監測期間CO體積分數變化情況。分析圖3可知，采空區未封閉期間CO含量較高，并呈現多次的峰值波動情況，其主要為煤層自燃消耗與再次積聚的過程；而隨著惰性氣體的注入，W2604工作面運輸巷與回風巷內CO體積分數基本保持在一穩定狀態，穩定數值不超過0. 001%。

圖3　CO體積分數變化情況

4.2O2體積分數變化

圖4所示為氧氣體積分數變化情況。分析圖4可知，其變化趨勢大致與CO類似，未實施火區封閉期間，由于礦井系統通風的作用而使得火區氧氣含量較高，且已經達到了瓦斯爆炸的氧氣濃度。自開始實施封閉火區治理措施后，工作面巷道氧氣體積分數得到有效控制，氧氣體積分數不超過5%，且長時間處于穩定狀態。

圖4　O2體積分數變化情況

4.3溫度變化

封閉區通過注氮與注水兩種方式有效控制火區內熱量的傳遞與交換。監測數據顯示，封閉區方案實施后空氣溫度基本恒定在30℃以下，而且出水溫度亦保持在31℃左右，與工作面開采時情況正常相同。

綜合分析可知，到4月28日，封閉區內各項指標基本已經達到正常水平，且能夠長時間保持在一穩定狀態，滿足火區啟封的條件。

4　結論

封閉火區內注入惰性氣體能夠有效降低氧氣含量，抑制煤層自燃與瓦斯災害的發生。施工過程中需要較高的技術要求與組織管理水平，需要綜合采取監測封閉區、注氮、停抽瓦斯、封堵漏風、注水降溫等綜合措施，保證封閉過程的安全。工程實踐表明，項目實施后CO、O2、溫度等指標正常，達到了工作面安全啟封的標準，該項目的成功實施為類似礦井條件防滅火提供了樣本，具有一定的推廣價值。

參考文獻：

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［作者簡介］蔡振禹（1965-），男，河北河間市人，畢業于天津大學，正高級工程師，碩士研究生導師，主要從事煤礦井下安全開采技術研究.

［收稿日期］2016-01-10

中圖分類號：TD712

文獻標識碼：A

文章編號：1672-4658（2016）02-0182-04